Sviluppo di un applicativo per simulazioni di interventi bariatrici personalizzati e real-time

Obesity represents a growing global healthcare challenge; as a result, new bariatric procedures such as Endoscopic Sleeve Gastroplasty (ESG) have been developed. Despite its clinical benefits, ESG does not yet have fully standardised protocols, and its performance depends heavily on the surgeon’s experience and anatomical variability. The present thesis describes the development of an application, built in the Unity environment, designed to support personalised preoperative planning for ESG. The system allows the surgeon to visualise a three-dimensional reconstruction of the patient’s stomach, handling different geometries, and to simulate the application of sutures and gastric insufflation. To solve the mechanical problem, an explicit dynamic solver was adopted, while spatial discretization was achieved through the implementation of membrane elements. Two different element formulations were then compared and, based on the tests conducted, the geometrically non-linear formulation solved using the Update Lagrangian scheme and a Neo-Hookean compressible model proved to be the most suitable for the applicative scenario. The resulting model was then validated through tests on regular geometries and by comparison with results obtained using Abaqus, confirming the consistency of the results. Although computational cost emerged as one of the main challenges, the analyses carried out demonstrated that it is possible to reduce calculation time while maintaining the accuracy of the biomechanical solution. However, these optimisations have not yet been verified on models and scenarios characterised by higher complexity. In conclusion, the application represents a starting point for future developments, aimed at increasing the complexity of tissue modelling and the scenarios analysed, and at the possible integration with virtual reality technologies.

L’obesità rappresenta una sfida sanitaria globale in costante crescita; ciò ha favorito lo sviluppo di nuove procedure bariatriche come l'Endoscopic Sleeve Gastroplasty (ESG). Nonostante i vantaggi clinici, l'ESG non dispone ancora di protocolli completamente standardizzati e la sua esecuzione dipende fortemente da esperienza dell’operatore e variabilità anatomica. Il presente lavoro di tesi descrive lo sviluppo di un applicativo, realizzato in ambiente Unity, finalizzato a supportare la pianificazione preoperatoria personalizzata dell'ESG. Il sistema consente al chirurgo di visualizzare la ricostruzione tridimensionale dello stomaco del paziente, gestendo geometrie diverse, e simulare l'applicazione di suture e l'insufflazione gastrica. Per la risoluzione del problema meccanico è stato adottato un solutore dinamico esplicito, mentre la discretizzazione spaziale è stata effettuata mediante l'implementazione di elementi membranali. Sono state poi confrontate due diverse formulazioni degli elementi e, sulla base dei test condotti, la formulazione geometricamente non lineare risolta con schema Update Lagrangian e modello Neo-Hookeano comprimibile è risultata la più idonea allo scenario applicativo. Il modello è stato quindi validato mediante test su geometrie regolari e tramite il confronto con i risultati ottenuti con il software Abaqus, confermando la consistenza dei risultati ottenuti. Nonostante l'onere computazionale sia emerso come una delle principali criticità, le analisi svolte hanno dimostrato come sia possibile ridurre i tempi di calcolo, mantenendo l’accuratezza della soluzione biomeccanica. Tali ottimizzazioni, tuttavia, non sono state ancora verificate su modelli e scenari caratterizzati da maggiore complessità. In conclusione, l’applicativo rappresenta un punto di partenza per futuri sviluppi, orientati all’incremento della complessità della modellazione del tessuto e degli scenari analizzati, e alla possibile integrazione con tecnologie di realtà virtuale.